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倒装芯片封装中灌封剂的选择
由于IC封装频率越来越高，引脚数也越来越多，为了满足大批量生产的需要，组装厂家正在考虑采用倒装芯片。此时不管是采用非模压(non-molded)设计还是用超模压(overmolded)设计，所用到的灌封材料对封装的可靠性而言都绝非小事。
热膨胀系数优化
在灌封材料的各种特性中，首先它的热膨胀系数(CTE)应该与连接裸片和基板的焊接凸点相匹配。通常用于倒装芯片的焊料是Pb5Sn95(CTE为29ppm)和共晶焊料(CTE为24.3ppm)，因此配制灌封剂时需要将其CTE仔细调整到上述范围内。灌封剂的CTE可通过改变材料内硅填充料的数量和聚合物的化学性质来进行调整，对上述两种焊料来讲，注入填料的最佳比例范围在60%到65%之间，同时还随其他过滤特性诸如填料粒度及其分布等而有所不同，此外注入的填料还会影响灌封材料的流动性。因此，考虑到这些所希望达到的特性，在优选灌封材料时需进行仔细计算。
对CTE进行优化不仅要在室温下进行，而且还应包括所有封装可靠性测试温度。这是因为当超过玻璃化临界温度(Tg)时，聚合物材料的CTE会上升。其他测试还有潮湿测试，包括85℃及85%相对湿度的温度循环；以及从55℃到150℃的热冲击测试。最好的方案是制出的灌封剂Tg在150℃或更高，这样就可以在整个可靠性测试中与焊料保持CTE匹配。
粘度与填料沉积
灌封剂的粘度应该使其在室温下的适用期(pot life)，比一个IC装配生产班次的时间要长，而且还应该有足够长的保存期。根据涂敷系统对随时间变化的粘度的应变处理能力，典型的适用期范围为8小时到24小时之间。因为适用期是一个与设备有关的参数，所以必须由工艺工程师进行确定。采用氰酸酯两层填料的灌封剂时间-粘度变化图(图1)表明，不考虑填料注入变化时，经过30小时后，粘度增加了30%。粘度采用锥型和平板型Haake粘度计测定。
图1：不考虑填料注入变化时，经过30小时后，氰酸酯基灌封剂的粘度增加了30%。
另外，由温度变化而造成的粘度变化必须非常低，这样可以保证在灌封剂流动时的温度下，流动不会受到影响，填料也不会沉积。
当温度超过灌封剂的推荐流动温度，或由于灌封剂本身的粘度太低，不能保持填料浮起，填料就会发生沉积现象。通过观察封装的横截面可以看到灌封剂填料的沉积现象。由于二氧化硅填料是透明的，有时难以用光学显微镜观察到填料沉积现象。但是，采用荧光显微术可以观察到这种沉积现象，因为灌封剂中填料和灌封材料的荧光强度是不同的。此外，还可以利用扫描电子显微镜对填料沉积现象进行观察。
另外还有一点不容易发现，那就是在温度上升时需要保持较低的粘度直到底部灌封过程结束，该过程的时间约为10到60秒，由灌封剂、温度及裸片尺寸来决定。
流动特性
灌封剂的流动是由毛细作用造成的，灌封过程所用时间可用下式表达：Tf=3μLf2/hγcosθ其中Tf是灌封剂流到裸片底部距离为Lf时所需时间；γ是液气相界面的表面张力，而μ为粘度，h是凸点的高度，θ是灌封剂和接触表面之间的接触角。
图2. 灌封剂灌注流动工艺参数范围宽广。
上式表明灌封剂流动时间和距离的平方成正比。它虽然没有考虑凸点数目以及硅颗粒大小的影响，但还是能足以说明现今市面上几种商用灌封剂的表现特性。可用图形方式表示该公式（图2），由图可以看出，随着灌封剂流动结束时温度的不同，其工艺条件的范围可以非常宽。温度确定灌封剂的初始粘度，因而决定了它在裸片下流动的速度。
填料粒度及其粒度分布也会影响灌封剂流动过程的速度。为保证灌封剂平滑的流动，最大颗粒尺寸应小于焊接凸点高度的三分之一。灌封剂供应商一般都会注明颗粒的尺寸，直径范围通常在10μm到50μm以上。
灌封剂的流动能力(或称为”流动性”)还受到与它所接触的表面的影响，也就是指基材的表面以及裸片的底面。叠层基材通常覆盖有一层防焊膜，而裸片的表面则可能有聚酰胺、氮化硅或氧化硅涂层，这些材料具有极低的介电常数，使得芯片有较高的频率和时钟速度。更为复杂的是，不同公司的涂层具有不同的结构特性，这样尽管防焊膜的类别是一样的，但不同供应商的基材防焊膜表面特性都不相同。测试这些表面的方法之一是在要求的温度下，测量灌封剂和接触面之间的接触角大小。另外一种迅速并经考验过的方法是用实际基材和晶圆进行灌封剂流动研究。
空洞的存在以及与助焊剂相适应的程度也会影响灌封剂的流动，焊料凸点回焊后留下的助焊剂残余物会妨碍灌封过程，并且会在固化后出现空洞和分层。为了避免此类问题，可以征求灌封剂供应商对于与灌封剂最适配的助焊剂的建议，。
灌封剂的固化
灌封剂加注工艺之后就是固化。以前，固化的时间长达数小时之久，而现在最多也只是十几分钟，象JM8805在165℃下固化时间为10分钟，采用更高的固化温度还可缩短灌封剂的固化时间。可以参考关于固化曲线的研究，包括对固化曲线上升和保持部分的分析。
虽然所有的氰酸酯灌封剂都可用微波固化，而对于某些灌封剂还可以采用变频微波(VFM)炉来固化。这种技术能有选择地只对灌封剂进行加热，而其他封装部分仍保持相对较低的温度。它不同于常用的对流式加热炉，会将封装的所有部分都加热从而带来有害应力。和普通对流式加热炉相比，VFM的缺点是炉子的成本还相当高。
弹性模量要求和粘着力测试
一旦固化以后，坚硬的灌封剂的弹性模量应该相当低，以便在可靠性测试中，释放裸片和基底之间的应力。它还必须十分坚固以保持封装的形状和共面性，并帮助缓解来自焊接凸点的应力。通过对模型进行研究表明，层压封装的理想弹性模量应在7GPa到10GPa之间，而陶瓷封装材料应该接近10GPa，并且在温度通过Tg时也应保持这一数值。所选灌封剂材料的弹性模量在温度低于Tg(E1)时应在7 GPa到10GPa范围内，而温度高过Tg(E2)时的弹性模量则应尽可能地接近上述范围的最低值。
灌封剂对裸片、焊接凸点以及基材的粘着力大小，决定了它防止分层的能力，尤其是在受力情况下。倒装芯片封装在后模压固化、焊料回焊以及可靠性测试中会承受应力，因此灌封剂的粘着力应该在模拟这些条件的温度下进行测试。一种简单的方法是把灌封剂当作裸片粘接材料将裸片粘接在基材上，当固化以后，可以用裸片剪切、叠板剪切或旋拉(stud-pull)等方法对裸片进行测试。测试不仅要在室温下进行，而且还应在后模压固化温度和回焊温度下进行。
受潮对粘着性的影响
灌封剂即使在恶劣的条件下也应保持粘着性，尤其在可靠性测试中，这一点是很重要的。压力炉测试(PCT)是用得最多的一种试验方式，这里灌封剂要在121℃下经受100%相对湿度和15psi的压力。对湿气比较敏感的灌封剂如酸酐系统在受潮时很容易发生水解生成低分子量副产品，从而失去粘着性。应力测试以后粘着性的保持能力对封装可靠性也有重要的影响，因为大多数失效都是从接触面的脱离开始的。
表1. 考虑封装类别和工艺条件下的性能指标。
灌封剂的选择标准根据的是一系列性能参数指标(表1)，表中指标值只是一种参考，而实际参数的优化值还要取决于封装类型和特定的工艺条件。
